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Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer mit mindestens einem Massenseparator.
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Über Massenspektrometer lassen sich Proben anhand der Masse der Atome oder Moleküle untersuchen. Dabei diskriminiert ein Massenseparator, der auch als Analysator bezeichnet werden kann, die Bestandteile der Probe in Abhängigkeit von der Masse bzw. in Abhängigkeit vom jeweiligen Masse-zuLadung-Verhältnis.
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Ein Beispiel für einen Massenseparator bzw. für dessen Ansteuerung wird beschrieben in der
EP 2 506 287 A1 .
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Offenbart wird dabei ein sogenannter synchronous ion shield Massenseparator, der im Wesentlichen aus einer kammförmigen Separationselektrode besteht. Die Separationselektrode weist eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Zinken auf, die gegenüber einem Kammrücken einen Spalt bilden. Anstelle eines Kammrückens kann alternativ die gegenüberliegende Seite jedoch auch aus zueinander beabstandeten Zinken bestehen.
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Für die Messung wird das zu analysierende Probengas beispielsweise durch Elektronenstoßionisation ionisiert. Die Ionen werden dann durch ein elektrisches Feld so beschleunigt, dass die Ionen in Abhängigkeit von ihrer Masse unterschiedliche Geschwindigkeiten haben, und werden anschließend von einem Ende des Spaltes als Eingang des synchronous ion shield Massenseparators parallel zum Kammrücken in den Massenseparator eingebracht. Wird durch das Anlegen einer Spannung zwischen einem Zinken und dem Kammrücken ein elektrisches Feld erzeugt, so werden die Ionen, die sich dort befinden, seitlich abgelenkt und gelangen ggf. nicht mehr zum Ende des Spaltes als dem Ausgang des Massenseparators.
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Die einzelnen Zinken werden in Form einer Signalfolge abwechselnd mit Spannung beaufschlagt. Bei einer Signalfolge wandern die feldfreien Zonen mit einer von der Taktfrequenz abhängigen Geschwindigkeit in Richtung des Ausgangs des Massenseparators. Die Ionen, die über die gleiche Geschwindigkeit wie das Wanderfeld verfügen, verlassen den Separator. Die nicht mit dem Feld synchronen Ionen werden zu den Elektroden abgelenkt und dort neutralisiert. Im Ergebnis werden daher nur Ionen mit einem bestimmten Masse-zuLadung-Verhältnis von dem Massenseparator durchgelassen.
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Relevant in diesem Zusammenhang ist noch die geometrische Wanderfeldperiode als dem doppelten Abstand zwischen zwei Zinken.
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Werden die Ionen kontinuierlich erzeugt bzw. in den Massenseparator eingebracht, so kann es, während die Ionen den synchronous ion shield Massenseparator durchqueren, zu einer Dispersion der Energie kommen, die bei einer entsprechend nachgeordneten Detektorvorrichtung zu einer schlechteren Auflösung führt.
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Hierbei ist es im Stand der Technik bekannt, Energiefilter zu verwenden (siehe z. B.
DE 691 18 492 T2 ). Dabei werden elektrostatische Sektorfelder verwendet, die nur von den Ionen einer voreingestellten Energie durchflogen werden, für die gerade die Zentrifugalkraft gleich der elektrostatischen Zentripetalkraft ist.
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Dabei stellt sich jedoch heraus, dass nur ein Bruchteil der Ionen mit der richtigen Energie das Sektorfeld passiert, so dass die Signalausbeute deutlich reduziert wird.
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Aus der Dissertation „Planar integriertes Mikromassenspektrometer: Simulation, Ansteuerung und Charakterisierung“ von J.-P. Hauschild ist ebenfalls ein Massenspektrometer mit einem synchronous ion shield-Massenseparator bekannt, wobei zur Energiefilterung eine Energiefeldsektoranordnung vorgesehen ist.
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Die Druckschrift
US 2004/0119012 A1 offenbart ein Massenspektrometer mit einem Flugzeitmassenseparator.
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Aus der
US 2006/0 214 100 A1 ist ein Massenspektrometer mit einem mehrfach reflektierenden Flugzeitmassenseparator mit einer optimierten Einleitung der Ionen in den Massenseparator bekannt, wobei durch die optimierte Einleitung eine Kompensation der Energieverteilung des die Ionenquelle verlassenden Ionenbündels erreicht wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Massenspektrometer mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Eigenschaften vorzuschlagen.
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Das erfindungsgemäße Massenspektrometer, mit dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein synchronous ion shield Massenseparatorund ein Energiefilter umfassend mindestens eine Detektorvorrichtung und mindestens eine Vorrichtung, die eine Zeitauswertung von Messungen der Detektorvorrichtung erlaubt, vorgesehen sind. Die Zeitauswertung der detektierten Signale - in Verbindung mit einer Flugstrecke der Ionen zwischen dem Massenseparator und der Detektorvorrichtung -bewirkt dabei eine Energiefilterung.
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Dem Massenseparator werden dabei über einen Eingang insbesondere bereits beschleunigte Ionen der zu untersuchenden und insbesondere zumindest teilweise gasförmigen Probe zugeführt.
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Weiterhin verfügt das Massenspektrometer über mindestens eine Flugstrecke für die den Massenseparator verlassenden Ionen mit einem vorgebbaren Abstand zwischen dem Ausgang des Massenseparators und der Detektorvorrichtung.
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Auf der Flugstrecke wirkt in einer Ausgestaltung - im Gegensatz beispielsweise zum elektrostatischen Sektorfeld gemäß dem Stand der Technik - kein elektromagnetisches oder elektrostatisches Feld auf die Ionen.
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In einer alternativen Ausgestaltung wird entlang der Flugstrecke zumindest keine Kraft senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Ionen auf die Ionen ausgeübt. Die Flugstrecke ist daher im Wesentlichen frei von transversal wirkenden Kräften oder Feldern.
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In einer weiteren Ausgestaltung wirkt zumindest eine Kraft entlang der Hauptausbreitungsrichtung der Ionen - d. h. entlang der Verbindungsstrecke zwischen Massenseparator und Detektorvorrichtung - auf bzw. gegen die Ionen. Die Kraft bzw. das vorzugsweise zugehörige Feld verlaufen daher im Wesentlichen entlang der Flugstrecke der Ionen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Flugstrecke im Wesentlichen frei von einer Krümmung und ist daher eine im Wesentlichen gerade Flugbahn. Dies ebenfalls im Gegensatz zu den Sektorfeldern gemäß dem Stand der Technik.
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Vorzugsweise ist in der Detektorvorrichtung in einer Ausgestaltung noch ein ionenoptischer Schalter vorgesehen.
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Um eine Kollision mit anderen Elementen zu vermeiden, ist die Flugstrecke vorzugsweise evakuiert.
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Für die Verbesserung des Massenspektrometers wird insgesamt eine Energiefilterung verwendet, die eine deutlich erhöhte Ausbeute als beispielweise ein elektrostatisches Sektorfeld des Standes der Technik ermöglicht.
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Da der Massenseparator Ionen mit einer gewissen Streuung der Bewegungsenergie passieren lässt, verfügen Ionen einer bestimmten Masse über eine gewisse Geschwindigkeitsstreuung. Dies führt zu einer Verschlechterung des Auflösungsvermögens des Massenspektrometers.
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Um dieser Problematik zu begegnen, lässt sich folgende Überlegung anstellen: Die mittlere Geschwindigkeit eines Ions der Masse m, das bei einer Wanderfeldfrequenz der Masse m-x detektiert wird, ist größer als die entsprechende mittlere Geschwindigkeit der Zielmasse m-x der Ionen, die eigentlich durch den Massenseparator separiert werden sollen.
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Durch die Verwendung einer Flugstrecke und bedingt durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Ionen lassen sich die Ionen der Zielmasse räumlich von den anderen Ionen trennen.
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Die Trennung ergibt sich daraus, dass die Ionen den Abstand zwischen dem Ausgang des Massenseparators und der Detektorvorrichtung oder zumindest die Flugstrecke zwischen Massenseparator und Detektorvorrichtung in unterschiedlichen Zeiten überwinden.
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Mit anderen Worten: die schnelleren Ionen kommen eher bei der Detektorvorrichtung an als die langsameren Ionen. Die eigentlich interessierenden Ionen, die sich im Fall der Verwendung eines synchronous ion shield Massenseparators synchron mit dem Wanderfeld bewegt haben, verfügen dabei über die Zielgeschwindigkeit.
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Indem die Energietrennung durch die unterschiedlichen Flugzeiten vorgenommen wird, ist es erforderlich, bei der Auswertung der Messdaten der Detektorvorrichtung auch den Zeitpunkt bzw. das Zeitfenster der Messungen zu berücksichtigen. Ausgewählte Zeitfenster sind insbesondere die, in denen Ionen der gewünschten Energie bzw. Geschwindigkeit den Abstand zwischen dem Massenseparator und der Detektorvorrichtung überwunden haben. Daher ist wenigstens eine Vorrichtung vorgesehen, die eine Zeitauswertung der Messungen der Detektorvorrichtung erlaubt.
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Eine Variante sieht dabei vor, dass die Messungen selbst in Verbindung mit dem jeweiligen Messzeitpunkt erzeugt bzw. in einem passenden Datenspeicher abgelegt werden.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem Ausgang des Massenseparators und der Detektorvorrichtung variabel einstellbar ist. Alternativ ist der Abstand fest eingestellt und wird insbesondere für jede ausgesuchte Masse der Ionen verwendet.
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Eine Ausgestaltung besteht darin, dass mindestens eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die mindestens einen Zeitpunkt vorgibt, zu dem die Detektorvorrichtung misst. In einer weiteren Ausgestaltung gibt die Steuervorrichtung die Zeitpunkte der Messungen der Detektorvorrichtung vor und steuert damit die Messungen in Bezug auf ihren Messzeitpunkt bzw. ihr Messintervall.
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Mit dieser Ausgestaltung wird eine diskontinuierliche Messung vorgenommen. Die Detektorvorrichtung misst die Ionen nur innerhalb eines Zeitintervalls, das sich durch den oder die von der Steuereinheit vorgegebenen Zeitpunkt bzw. Zeitpunkte ergibt.
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Dabei sind das Zeitintervall und der Abstand zwischen Massenseparator und Detektorvorrichtung bzw. speziell die Länge der Flugstrecke so aufeinander abgeglichen, dass sich die Ionen mit unterschiedlichen Massen einer Wanderfeldperiode maximal trennen, ohne dass eine Vermischung mit langsamen Ionen aus der vorangegangenen oder mit schnellen Ionen aus der nachfolgenden Wanderfeldperiode stattfinden. Damit erreichen diejenigen Ionen, deren Geschwindigkeit sich ausreichend von der für die Messung interessierenden Zielgeschwindigkeit unterscheidet, während des Zeitintervalls die Detektorvorrichtung nicht.
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Durch die Verringerung der Messdauer bzw. der Zeitintervalle für die Messungen kann die Auflösung weiter verbessert werden.
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Die Länge der Flugstrecke ist dabei in dem Fall, dass ein synchronous ion shield Massenseparator vorgesehen ist und dass synchron mit dem Wanderfeld geschaltet werden soll, auch abhängig von der geometrischen Wanderfeldperiode der feldfrei geschalteten Zinken, also dem doppelten Abstand zwischen zwei feldfreien Zinken.
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In einer Ausgestaltung ist insbesondere die Länge der Flugstrecke der Ionen gleich einem ganzzahligen Vielfachen der geometrischen Wanderfeldperiode. Damit wird bewirkt, dass das Zeitfenster für die Messung in Phase mit dem Wanderfeld des Massenseparators läuft.
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In einer Ausgestaltung ist mindestens eine Messung der Detektorvorrichtung mit einem Zeitstempel versehen. In einer weiteren Ausgestaltung sind alle Messungen der Detektorvorrichtung mit jeweils einem Zeitstempel versehen, so dass eine Auswertung der Messdaten in Abhängigkeit von ihrem Messzeitpunkt bzw. ihrem Messintervall erfolgen kann. Für die Zeitstempel ist insbesondere eine Steuervorrichtung vorgesehen.
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In dieser Ausgestaltung werden die Messungen der Detektorvorrichtung mit einem - absoluten oder relativen - Zeitstempel versehen, so dass bei der weiteren Verarbeitung bzw. Auswertung der Messdaten auf die unterschiedlichen Zeiten Rücksicht genommen werden kann, die die Ionen für die Überwindung der Strecke zwischen dem Massenseparator und der Detektorvorrichtung benötigen. Diese Ausgestaltung ist daher alternativ oder ergänzend zu der Ausgestaltung, in der die Messungen durch die Steuereinheit gesteuert werden und diskontinuierlich stattfinden.
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In einer Ausgestaltung ist eine dem Massenseparator zugewandte, der Detektion dienende Fläche der Detektorvorrichtung in Richtung des Massenseparators gekrümmt. In einer Ausgestaltung ist die Fläche insbesondere mit der Flugstrecke als Radius gekrümmt. Damit geht einher, dass die Detektion unabhängig von Variationen in der Austrittsrichtung der Ionen aus dem Massenseparator ist und dass jeweils die Flugstrecke identisch ist.
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Um eine diskontinuierliche Messung durch die Detektorvorrichtung zu bewirken, sieht es eine Ausgestaltung vor, dass zwischen dem Massenseparator und der Detektorvorrichtung mindestens eine Schaltervorrichtung angeordnet ist. Die Schaltervorrichtung schaltet den Zugang zur Detektionsvorrichtung frei bzw. verschließt ihn.
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Alternativ beeinflusst die Schaltervorrichtung den Zugang der Ionen zur Detektorvorrichtung, indem auf die sich durch die Schaltervorrichtung bewegenden Ionen eingewirkt und daher der Fluss bzw. Flug der Ionen moduliert wird.
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In einer Ausgestaltung wird durch die Schaltervorrichtung eine Kraft transversal zur Bewegungsrichtung der Ionen auf die Ionen ausgeübt und zwar vorzugsweise zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ionen, welche nicht von der Detektorvorrichtung detektiert werden sollen, die Schaltervorrichtung passieren. Dadurch werden gleichsam die Ionen, die die falsche Geschwindigkeit haben, aus der Bahn herausgestoßen.
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In einer Ausgestaltung wird durch die wenigstens eine Schaltervorrichtung bewirkt, dass die unerwünschten Ionen, also die Ionen der falschen Geschwindigkeit, eine solche seitliche Bewegungskomponente erhalten, dass sie auf eine nachgeordnete Blende treffen und dort neutralisiert werden.
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In einer damit einhergehenden Ausgestaltung sind mindestens zwei Schaltervorrichtungen vorhanden und insbesondere in der Richtung der Bewegung der Ionen hintereinander angeordnet. Durch n Schaltervorrichtungen - wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich zwei ist - lässt sich eine feinere Energiefilterung vornehmen. Zudem kann auch mit geringeren Ablenkspannungen gearbeitet werden.
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In einer Ausgestaltung werden die mehreren Schaltervorrichtungen in der Art eines synchronous ion shield Massenseparators betrieben, wobei in einer Ausgestaltung die unerwünschten Ionen nur leicht seitlich ausgelenkt werden und infolge davon gegen eine Blende treffen. In einer alternativen Ausgestaltung werden die unerwünschten Ionen direkt gegen die Elektroden der Schaltervorrichtungen gelenkt und dort neutralisiert.
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In einer Ausgestaltung besteht mindestens eine Schaltervorrichtung aus zwei Elektroden, die senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung der Ionen - also senkrecht zur Flugstrecke und/oder einer Verlängerung der Flugstrecke und/der einer geraden Verbindungsstrecke zwischen dem Ausgang des Massenseparators und der Detektorvorrichtung - einander gegenüberliegen und zwischen denen sich ein Kanal für die Ionen befindet.
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Da nach einigen vorgenannten Ausgestaltungen der Schaltervorrichtung durch die Schaltervorrichtung eine Kraft senkrecht zur Bewegungsrichtung auf die Ionen ausgeübt wird, stellt in einer Ausgestaltung die Schaltervorrichtung gegenüber dem Ausgang des Massenseparators ein Ende der Flugstrecke der Ionen dar.
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Da die Ionen elektrisch geladen sind, wirken sich entsprechend auch alle elektrischen Felder zwischen dem Massenseparator und der Detektorvorrichtung auf die Ionen aus. Um u.a. damit verbundene Effekte gezielt auszunutzen bzw. um unerwünschte Nebenwirkungen zu vermeiden, sind die folgenden Ausgestaltungen vorgesehen.
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So ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass zwischen dem Massenseparator und der Detektorvorrichtung mindestens eine Feldvorrichtung angeordnet ist, wobei die Feldvorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Potenzials mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist.
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Die Feldvorrichtung erzeugt in einer Ausgestaltung insbesondere ein elektrisches Feld entlang der Bewegungsrichtung der Ionen und damit im Wesentlichen parallel zur Flugstrecke der Ionen. Je nach der Ansteuerung des damit erzeugten Feldes lassen sich z. B. Einwirkungen von Vorrichtungen zwischen dem Massenseparator und der Detektorvorrichtung kompensieren bzw. zusätzliche Effekte erzeugen.
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So besteht eine Ausgestaltung darin, dass die Feldvorrichtung mit einer solchen Spannung beaufschlagt ist, so dass ein Einfluss der Schaltervorrichtung auf Ionen im Bereich zwischen dem Massenseparator und vor der Schaltervorrichtung zumindest teilweise kompensiert ist.
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In dieser Ausgestaltung wird also eine Art von Gegenfeld erzeugt, das Auswirkungen der ebenfalls mit einem elektrischen Feld arbeitenden Schaltervorrichtung auf die Ionen kompensiert werden soll. Dabei handelt es sich insbesondere um die Ionen, die sich an die Schaltervorrichtung annähern.
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Hierfür ist insbesondere in einer Ausgestaltung die Feldvorrichtung, gesehen von dem Massenseparator aus, der Schaltervorrichtung vorgelagert.
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In einer weiteren Ausgestaltung übt die Feldvorrichtung infolge einer Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung eine solche Kraft auf die Ionen in ihrer Bewegungsrichtung aus, so dass die Ionen im Bereich zwischen dem Massenseparator und der Feldvorrichtung eine Beschleunigung erfahren.
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In einer Ausgestaltung erfahren die Ionen sogar eine negative Beschleunigung, d. h. sie werden abgebremst. Diese Ausgestaltung bewirkt eine Fokussierung der Ionen.
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In einer Ausgestaltung erstrecken sich die Elektroden einer Schaltervorrichtung über eine gewisse Ausbreitungsstrecke der Ionen.
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Dabei wird in einer Ausgestaltung durch ein periodisches Signal zwischen den Elektroden ein sich zeitlich und ortsabhängig änderndes Feld erzeugt, das senkrecht auf die Ionen einwirkt.
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In einer Ausgestaltung ist das periodische Signal insbesondere derartig, dass nach dem Durchlaufen des Bereichs des Schaltervorrichtung Ionen der herauszufilternden Geschwindigkeit keine zusätzliche transversale Geschwindigkeitskomponente erfahren haben und daher nach dem Verlassen der Schaltervorrichtung weiter geradlinig sich in Richtung der Detektorvorrichtung bewegen. Im Gegensatz dazu erfahren die Ionen mit anderen Geschwindigkeiten seitliche Bewegungskomponenten, die dazu beitragen, dass dieses Ionen nicht zur Detektionsvorrichtung gelangen und daher auch nicht detektiert werden.
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Erfmdungsgemäß handelt es sich bei dem Massenseparator um einen synchronous ion shield Massenseparator. Solche Massenseparatoren zeichnen sich durch eine charakteristische Energieverteilung der separierten Ionen aus.
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In einer damit einhergehenden Ausgestaltung ist mindestens eine Zinkensteuervorrichtung für die Ansteuerung des Massenseparators vorhanden, wobei die Zinkensteuervorrichtung und die Vorgänge um die Detektion miteinander koordiniert sind.
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Insgesamt zeichnet sich das erfmdungsgemäße Massenspektrometer dadurch aus, dass Ionen den Massenseparator verlassen und anschließend von der Detektorvorrichtung zeitabhängig gemessen bzw. ausgewertet werden. Eine solche Energiefilterung bewirkt dabei eine Verbesserung der Auflösung, wobei Untersuchungen gezeigt haben, dass damit nicht - wie beim Stand der Technik - gleichzeitig auch eine bedeutende Signalverminderung einhergeht.
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Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Massenspektrometer auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Massenspektrometers mit einem vergrößerten Ausschnitt in der 1a,
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Massenspektrometers,
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt einer dritten Variante eines erfindungsgemäßen Massenspektrometers und
- 4 einen vergrößerten Ausschnitt einer vierten Variante eines erfindungsgemäßen Massenspektrometers.
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In der 1 ist eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Massenspektrometers 1 dargestellt.
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In einem Massenseparator 2, der hier als synchronous ion shield Massenseparators ausgeführt ist, werden bereits vorab beschleunigte Ionen nach dem Verhältnis von Masse zu Ladung separiert.
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Um insbesondere für den Fall eines kontinuierlichen Betriebs die Auflösung des Massenspektrometers 1 zu verbessern, ist dem Massenseparator 2 ein Energiefilter 3 nachgeordnet.
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Die Detektorvorrichtung 4 des Energiefilters 3 detektiert die nach dem Passieren der Flugstrecke 7 des Energiefilters 3 auftreffenden Ionen und macht sie dadurch einer - zeitabhängigen - Auswertung zugänglich.
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Die Ionen einer Probe gelangen durch den Eingang 5 des Massenseparators 2 in eine Bahn zwischen zwei einander gegenüberliegenden Kammstrukturen aus aufeinander folgenden Elektroden. Durch das Beaufschlagen der Elektroden mit elektrischer Spannung werden Felder zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden erzeugt, durch die die Ionen seitlich abgelenkt werden.
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Die Zinken der Kammstrukturen werden abwechselnd mit Spannung beaufschlagt. Dies geschieht mit einer vorgebbaren Taktfrequenz, mit der eine Geschwindigkeit verbunden ist, mit der sich wiederum eine feldfreie Zone vom Eingang 5 zum Ausgang 6 des Massenseparators 2 bewegt.
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Ionen, die über eine Geschwindigkeit verfügen, die der Geschwindigkeit der feldfreien Zinkenpaare entspricht, erfahren keine Ablenkung und verlassen daher den Ausgang 6 des Massenseparators. Andere Ionen werden zu den Elektroden abgelegt und dort neutralisiert.
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Da Ionen unterschiedlicher Masse den Massenseparator 2 verlassen können, reduziert sich das Auflösungsvermögen.
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Um die Auflösung des Massenspektrometers 1 zu verbessern, ohne dabei eine deutliche Signaleinbuße zu erleiden, ist dem Ausgang 6 des Massenseparators 2 das Energiefilter 3 nachgeordnet.
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Die Ionen überwinden dabei eine Flugstrecke 7 der vorgebbaren Länge X. Die Flugstrecke 7 ergibt sich dabei in der dargestellten Ausgestaltung aus dem Abstand zwischen der letzten Zinken- oder Fingerelektrode des Massenseparators 2 und der für die Detektion der Ionen aktiven Struktur der Detektorvorrichtung 4.
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Die Filterung folgt daraus, dass die Ionen bedingt durch ihre unterschiedliche Geschwindigkeit die Flugstrecke 7 in unterschiedlichen Zeiten durchfliegen.
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Um diese Zeitabhängigkeit auszunutzen, ist hier eine Steuervorrichtung 8 vorgesehen und mit der Detektorvorrichtung 4 verbunden. Sie steuert, wann die Detektorvorrichtung 4 misst bzw. welche Messungen der Detektorvorrichtung 4 für eine weitere Auswertung herangezogen werden.
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In der ersten Variante aktiviert bzw. deaktiviert die Steuervorrichtung 8 die Detektorvorrichtung 4 und in der zweiten Variante versieht die Steuervorrichtung 8 die jeweiligen Messungen beispielsweise mit Zeitstempeln.
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Detektiert die Detektorvorrichtung 4 Ionen nur in dem Zeitfenster, in dem Ionen einer vorbestimmten Geschwindigkeit die Flugstrecke 7 durchquert haben, so werden Ionen einer höheren Geschwindigkeit nicht mehr und Ionen einer geringeren Geschwindigkeit noch nicht detektiert. Daher bewirkt die Flugstrecke 7 und die selektive Messung der Detektorvorrichtung 4 eine Filterung der Ionen hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit.
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In einer weiteren Ausgestaltung erlaubt die Detektorvorrichtung 4 oder eine nachgeschaltete Rechenvorrichtung die zeitliche Auswertung der Messdaten.
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Die Detektorvorrichtung 4 verfügt über eine Fläche 9, die hier insbesondere als Elektrode dient, mit einer Krümmung in Richtung des Massenseparators 2.
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Die Krümmung ergibt sich hier insbesondere durch die Ausgestaltung der Fläche 9 als Teil eines Kreisbogens mit einem Radius, der der Länge X der Flugstrecke 7 entspricht. Durch die Krümmung ergibt sich eine Weglänge X für die Ionen, die den Massenseparator 2 verlassen, die im Wesentlichen unabhängig von ihrer Bewegungsrichtung ist.
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In der 2 ist eine zweite Variante gezeigt, in der durch eine Schaltervorrichtung 10 bewirkt wird, dass die Detektorvorrichtung 4 diskontinuierlich misst.
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Die Schaltervorrichtung 10 besteht dafür aus zwei Schaltelektroden, die im Wesentlichen senkrecht zur Flugbahn der Ionen zwischen dem Massenseparator 2 und der Detektorvorrichtung 4 angeordnet sind.
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Wird eine Spannung an die Schaltervorrichtung 10 angelegt, so werden die Ionen seitlich abgelenkt.
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Die Detektorvorrichtung 4 verfügt hier über eine ebene Fläche 9 zur Detektierung der Ionen und ist zudem teilweise becherförmig ausgestaltet.
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In dieser dargestellten Ausgestaltung ergibt sich der Abstand X der Flugstrecke 7 durch den Abstand zwischen Massenseparator 2 und Schaltervorrichtung 10.
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Zusätzlich ist vom Massenseparator 2 aus gesehen hinter der Schaltervorrichtung 10 noch eine Blende 11 angeordnet, an der insbesondere eine Spannung anliegt.
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Das durch die Schaltervorrichtung 10 erzeugte Feld lenkt die Ionen insbesondere so weit seitlich ab, so dass sie nicht zur Detektorvorrichtung 4 gelangen.
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Die Schaltervorrichtung 10 ist dabei nach der Flugstrecke 7 des Energiefilters 3 für die Ionen angeordnet, so dass die Ionen bereits energetisch separiert sind. Dadurch bewirkt das Ablenken der Ionen zu gewissen Zeiten und das Passieren-Lassen von Ionen für gewisse andere Zeiten, dass zur Detektorvorrichtung 4 nur die Ionen gelangen, die in einer gewissen Zeit die Flugstrecke 7 passiert haben und eine entsprechende Geschwindigkeit aufweisen.
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Die Beaufschlagung der Schaltervorrichtung 10 erfolgt in einer Ausgestaltung derartig, dass im aktivierten Zustand eine Spannung anliegt, die eine vollständige Ablenkung der Ionen bewirkt und dass im ausgeschalteten Zustand alle Ionen passieren können, d. h. dass insbesondere keine Spannung anliegt.
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In einer alternativen Ausgestaltung wird die Spannungsbeaufschlagung beispielsweise mit einem Sinus-Signal moduliert.
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In der dargestellten Ausgestaltung ist zusätzlich noch eine Feldvorrichtung 12 vorgesehen, die sich ausgehend vom Ausgang 6 des Massenseparators 2 vor der Schaltervorrichtung 10 befindet.
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Die Feldvorrichtung 12 dient in einer Ausgestaltung der Verringerung des Einflusses der Spannung, die an der Schaltervorrichtung 10 anliegt, auf die Ionen entlang des Wegs vom Massenseparator 2 zur Detektorvorrichtung 4. Die Feldvorrichtung 12 wirkt daher in dieser Ausgestaltung gleich einem Schirm für die Abschirmung der Schaltervorrichtung 10.
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Das mittlere elektrische Potential der Schaltervorrichtung 10 wird dabei der Spannung der als Fokussierungselektrode dienenden Feldvorrichtung 12 angepasst.
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Damit die Ionen eine konstante Geschwindigkeit entlang der Flugstrecke 7 zwischen dem Massenseparator 2 und der Schaltervorrichtung 10 aufweisen, wird die Feldvorrichtung 12 in einer Ausgestaltung mit einer Spannung beaufschlagt, so dass die Schaltervorrichtung 10 und der Massenseparator 2 auf dem gleichen elektrischen Potential liegen.
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In einer alternativen Ausgestaltung dient die Feldvorrichtung 12 als Fokuselektrode. Dabei wird an die Feldvorrichtung 12 eine solche Spannung angelegt, so dass die Ionen zwischen dem Massenseparator 2 und der Feldvorrichtung 12 eine Abbremsung als negative Beschleunigung erfahren.
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Die Flugstrecke 7 ergibt sich für diese Art der Verwendung der Feldvorrichtung 12 aus dem Abstand zwischen dem Massenseparator 2 und der Feldvorrichtung 12 und aus dem Abstand zwischen der Feldvorrichtung 12 und der Schaltervorrichtung 10. Im ersten Abschnitt werden die Ionen abgebremst und den zweiten Abschnitt legen sie mit konstanter Geschwindigkeit, die sich aus ihrer ursprünglichen Geschwindigkeit abzüglich der Abbremsung ergibt, zurück.
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Vorzugsweise wird der zweite Abstand zwischen Feldvorrichtung 12 und Schaltervorrichtung 10 möglichst klein gehalten. Der optimale Abstand zwischen Massenseparator 2 und Feldvorrichtung 12 als negative Beschleunigungsstrecke für die Ionen ist u. a. abhängig vom elektrischen Potenzial der Feldvorrichtung 12 als Fokuselektrode und vom nachfolgenden Abstand zwischen der Feldvorrichtung 12 und der Schaltervorrichtung 10.
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In einer Ausgestaltung ist die elektrische Spannung zwischen dem Massenseparator 2 und der Feldvorrichtung 12 kleiner, gleich oder größer als 70 V.
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Der Abstand zwischen den Elektroden der Schaltervorrichtung 10 ist abhängig von der maximal zulässigen Spannung, mit der die Elektroden beaufschlagt werden, und ist kleiner, gleich oder größer als 50 Mikrometer.
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In einer alternativen - nicht dargestellten - Ausgestaltung wird die Feldvorrichtung 12 als abbremsende Fokussierungseinheit ohne die Schaltervorrichtung 10 bzw. die Blende 11 verwendet.
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In der 3 ist eine Erweiterung der Ausgestaltung der 2 dargestellt.
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In dieser Ausgestaltung sind beispielhaft 10 Schaltervorrichtungen 10 mit einander gegenüberliegenden und jeweils in Flugrichtung der Ionen hintereinander angeordneten Elektroden vorgesehen. In dieser Variante wird insbesondere ein niedrigere elektrische Spannung an die einzelnen Schaltervorrichtung 10 angelegt als im Fall der einen Schaltervorrichtung 10, wie sie in der 2 dargestellt ist.
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Ist keine Feldvorrichtung 12 vorgesehen oder wird diese nicht für ein negatives Beschleunigen der Ionen vorgesehen, so kann für die Schaltervorrichtung 10 im Wesentlichen die Geometrie und auch die Taktung eines synchronous ion shield Massenseparators bei der Anordnung und Ansteuerung der Vielzahl von Schaltervorrichtungen 10 Anwendung finden.
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In dem Fall, dass durch die Feldvorrichtung 12 eine Abbremsung der Ionen stattfindet, ist eine entsprechende Anpassung der Auslegung bzw. Ansteuerung der Vielzahl von Schaltervorrichtungen 10 erforderlich, insbesondere in Bezug auf die sich durch die Abbremsung ergebende neue Energie der Ionen.
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Eine solche Kombination aus der Flugstrecke 7 und einer Schaltervorrichtung 10 oder einer wie in der 3 gezeigten Mehrzahl von Schaltervorrichtungen 10 wird in einer - hier nicht dargestellten - Ausgestaltung mehrfach hintereinander zwischen dem Massenseparator 2 und der Detektorvorrichtung 4 angeordnet, um eine Leistungssteigerung zu bewirken.
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Dabei ist je nach spezieller Ausgestaltung für die Flugstrecke 7 ggf. eine negative Beschleunigung durch die Feldvorrichtung 12 vorgesehen oder dies findet nicht statt.
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In der 4 ist eine weitere Variante dargestellt, in der die Schaltervorrichtung 10 eine größere Ausdehnung aufweist.
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Ähnlich wie bei einem Sektorfeld gemäß dem Stand der Technik wird durch die beiden Elektrodenplatten der Schaltervorrichtung 10 eine Kraft senkrecht auf die Ionen ausgeübt. Die Ionen bewegen sich jedoch prinzipiell geradlinig nach dem Verlassen des Massenseparators 2 in Richtung der Detektorvorrichtung 4 und nicht auf einer gekrümmten Bahn wie bei einem Sektorfeld gemäß dem Stand der Technik.
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An die hier länglich ausgestalteten Elektroden der Schaltervorrichtung 10 wird ein periodisches Signal in Form einer Wechselspannung angelegt. Ist das periodische Signal in Phase mit dem Wanderfeldsignal des als synchronous ion shield Massenseparator ausgestalteten Massenseparators 2 und ist die Länge der Elektroden der Schaltervorrichtung 10 entlang der Ausbreitungsrichtung der Ionen gleich einem ganzzahligen Vielfachen der geometrischen Wanderfeldperiode des Massenseparators 2, so verfügen die Ionen der gewünschten Geschwindigkeit - also die mit dem Energiefilter 3 auszufilternden Ionen - am Ende der Strecke durch die Schaltervorrichtung 10 im Wesentlichen über keine transversale Geschwindigkeitskomponente.
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Dadurch passieren diese Ionen ungehindert die nachgeordnete Blende 11. Ionen einer anderen Geschwindigkeit oder die nicht in Phase sind, werden an der Blende 11 neutralisiert. Dies folgt daraus, dass sie durch das Feld in der Schaltervorrichtung 10 eine transversale Geschwindigkeitskomponente aufweisen.
